3.2 現代發電技術

3.2.1 火力發電

利用煤、石油、天然氣等自然界蘊藏量極其豐富的化石燃料發電稱為火力發電。按發電方式可分為：汽輪機發電、燃汽輪機發電、內燃機發電和燃氣-蒸汽聯合循環發電，還有火電機組既供電又供熱稱為“熱電聯產”。按燃料分類又可分為：燃煤發電廠、燃油發電廠（石油提取了汽油、煤油、柴油后的渣油）、燃氣發電廠（天然氣、煤氣等）、余熱發電廠（工業余熱、垃圾或工業廢料）、生物質能發電廠（秸桿、生物肥料）。

汽輪機發電又稱蒸汽發電（圖3-1），它利用燃料在鍋爐中燃燒產生蒸汽，用蒸汽沖動汽輪機，再由汽輪機帶動發電機發電。這種發電方式在火力發電中居主要地位，約占世界火力發電總裝機的95%以上。

火力發電廠由三大主設備——鍋爐、汽輪機、發電機及相應輔助設備組成，它們通過管道或線路相連構成生產主系統，即燃燒系統、汽水系統和電氣系統。

從能量轉換的觀點分析，各類火力發電廠生產過程是基本相同的，概括地說是把燃料中含有的化學能轉變為電能的過程。以燃煤發電廠為例（圖3-2），整個生產過程可分為三個階段。

（1）燃燒系統

包括輸煤、磨煤、鍋爐與燃燒、風煙系統、灰渣系統等環節（圖3-3），其作用是使燃料的化學能在鍋爐中轉變為熱能，加熱鍋爐中的水使之變為蒸汽。

鍋爐的作用是使燃料在爐膛中燃燒放熱，并將熱量傳給工質，以產生一定壓力和溫度的蒸汽，供汽輪發電機組發電。鍋爐本體結構有爐膛、水平煙道和尾部煙道，主要部件按燃燒系統和汽水系統來設置，有空氣預熱器、噴燃器、省煤器、汽包、下降管、水冷壁、過熱器、再熱器等。電廠鍋爐與其他行業所用鍋爐相比，具有容量大、參數高、結構復雜、自動化程度高等特點。

鍋爐容量即鍋爐的蒸發量是指鍋爐每小時所產生的蒸汽量。在保持額定蒸汽壓力、額定蒸汽溫度、使用設計燃料和規定的熱效率情況下，鍋爐所能達到的蒸發量稱作額定蒸發量。電廠鍋爐的額定參數是指額定蒸汽壓力和額定蒸汽溫度。所謂蒸汽壓力和溫度是指過熱器主汽閥出口處的過熱蒸汽壓力和溫度。對于裝有再熱器的鍋爐，鍋爐蒸汽參數還應包括再熱蒸汽參數。

火電廠為提高燃煤效率都是燃燒煤粉。原煤由皮帶輸送機從煤場，通過電磁鐵、碎煤機后送到煤倉間的煤斗內，煤斗中的原煤要先送至磨煤機內磨成煤粉，并經空氣預熱器來的一次風烘干并帶至粗粉分離器。在粗粉分離器中將不合格的粗粉分離返回磨煤機再行磨制，合格的細煤粉被一次風帶入旋風分離器，使煤粉與空氣分離后進入煤粉倉。磨碎的煤粉由熱空氣攜帶經排粉風機送入鍋爐的爐膛內燃燒。煤粉燃燒后形成的熱煙氣沿著煙道經過熱器、省煤器、空氣預熱器逐漸降溫，放出熱量，最后進入除塵器，將燃燒后的煤灰分離出來。處理后的煙氣在引風機的作用下通過煙囪排入大氣。爐膛內煤粉燃燒后生成的小的灰塵顆粒，被除塵器收集成細灰，排入沖灰溝，燃燒中因結焦形成的大塊爐渣，下落到鍋爐底部的渣斗內，經過碎渣機破碎后也排入沖灰溝，再經灰渣水泵將細灰和碎爐渣經沖灰管道排往灰場。

（2）汽水系統

汽水系統由鍋爐、汽輪機、凝汽器、除氧器、加熱器等構成，主要包括給水系統、冷卻水系統、補水系統，如圖3-4所示。其作用是使鍋爐產生的蒸汽進入汽輪機，推動汽輪機旋轉，將熱能轉變為機械能。

汽輪機是以蒸汽為工質，將熱能轉變為機械能的高速旋轉式原動機。汽輪機本體由三個部分組成。

①轉動部分：由主軸、葉輪、動葉柵、聯軸器及其他裝在軸上的零件組成；

②靜止部分：由汽缸、噴嘴隔板、隔板套、汽封、靜葉片、滑銷系統、軸承和支座等組成；

③控制部分：由自動主汽門、調速汽門、調節裝置、保護裝置和油系統等組成。

來自鍋爐的蒸汽進入汽輪機后，依次經過一系列環形配置的噴嘴和動葉，將蒸汽的熱能轉化為汽輪機轉子旋轉的機械能。蒸汽在汽輪機中，以不同方式進行能量轉換，便構成了不同工作原理的汽輪機。按熱力特性，汽輪機可分為：凝汽式、供熱式、背壓式、抽汽式和飽和蒸汽汽輪機等類型。凝汽式汽輪機排出的蒸汽流入凝汽器，排汽壓力低于大氣壓力，因此具有良好的熱力性能，是最為常用的一種汽輪機。

水在鍋爐中被加熱成蒸汽，經過熱器進一步加熱后變成過熱的蒸汽，再通過主蒸汽管道進入汽輪機。由于蒸汽不斷膨脹，高速流動的蒸汽推動汽輪機的葉片轉動從而帶動發電機發電。

在汽輪機內做功后的蒸汽，其溫度和壓力大大降低，釋放出熱勢能的蒸汽稱為乏汽，從汽輪機下部的排汽口排出，最后排入凝汽器并被冷卻水冷卻成為凝結水，由凝結水泵打至低壓加熱器中加熱，再經除氧器除氧并繼續加熱。由除氧器出來的水稱為鍋爐給水，經給水泵升壓和高壓加熱器加熱，最后送入鍋爐汽包，繼續進行熱力循環。

在汽水循環過程中難免有汽水損失，因此要不斷地向循環系統內補充經過化學處理的軟化水，以保證循環的正常進行。高、低壓加熱器是為提高循環的熱效率所采用的裝置，除氧器是為了除去水含的氧氣以減少對設備及管道的腐蝕。

為了將汽輪機中做功后排入凝汽器中的乏汽冷凝成水，需由循環水泵從涼水塔抽取大量的冷卻水送入凝汽器，冷卻水吸收乏汽的熱量后再回到涼水塔冷卻，冷卻水是循環使用的。

（3）電氣系統

發電廠的電氣系統，包括發電機、勵磁裝置、廠用電系統和升壓變電所等，如圖3-5所示。在電力系統中，幾乎所有的發電機都屬同步發電機，發電機要發出電來，除了需要原動機帶動其旋轉外，還需要給轉子繞組輸入直流勵磁電流，建立旋轉磁場。供給勵磁電流的電路，稱為勵磁系統，包括勵磁機、勵磁調節器及控制裝置等。

發電機的機端額定電壓在10～20kV之間。發電機發出的大部分電能，由主變壓器升壓后，經高壓配電裝置、輸電線路送入電網。其中一小部分由廠用變壓器降低電壓，經廠用配電裝置，通過電纜供給水泵、送風機、磨煤機等各種輔機和電廠照明等設備用電，這部分電能稱為廠用電，約占發電機容量的4%～8%。

我國以燃煤為主要動力資源，發電用原煤是煤炭消費總量的一半。從多年來發電量構成來看，燃煤發電在總發電量中的比例一直在80%左右，據預測，到2020年，這一比例不會低于60%。火力發電一方面為社會可持續發展和物質進步提供著動力保障；另一方面，這種以煤為主的能源消費結構特點，造成了嚴重的環境污染和能源利用效率低等多方面的問題，成了能源可持續發展亟待解決的問題。我國將面臨著經濟和社會可持續發展的重大挑戰，在有限的資源和嚴格的環保要求下，節約資源和環境保護將是電力技術發展的總體趨勢。因此，必須采用新技術提高資源的轉化效率和利用率，同時減少、收集和處置好電力生產過程中產生的SOx、NOx、CO2、煙塵和廢水，發展清潔煤發電勢在必行。

一方面，要提高煤這種高碳資源的發電效率，發展高能效的超臨界、超超臨界燃煤發電機組，淘汰大量高耗能高污染的小機組，安裝脫硫裝置，并且積極發展熱電聯產等，以減少排放，提高能源的綜合利用率。

另一方面，要大力發展以煤氣多聯產技術和整體煤氣化聯合循環發電技術（IGCC）為代表的清潔煤發電技術。

煤氣多聯產技術既可以發電，又可以做城市供熱，還可以給城市居民供應生活熱水，同時可以生產甲醇、二甲醚等工業原料，還可以把其中的一部分二氧化碳變為資源重新加以利用，可以說是一舉多得。

IGCC就是把煤炭氣化，然后用煤氣來發電，不僅清潔而且發電效率也比較高，同時煤炭氣化以后還可以把煤炭中的有害物質過濾出來。它能實現98%以上的污染物脫除，并可回收高純度的硫，粉塵和其他污染物在此過程中一并被脫除。

IGCC是將固體煤的氣化、凈化與燃氣—蒸汽聯合循環發電相結合的清潔高效發電技術，具有高效發電和低排放的突出優勢，將成為煤電未來主流機型之一。